陸晨剛

摘要： 利用DIS電導(dǎo)率探頭，測(cè)定不同濃度、不同溫度醋酸的電導(dǎo)率，通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到醋酸在不同溫度下的電離平衡常數(shù)Ka。發(fā)現(xiàn)醋酸的Ka隨溫度的升高先增大，在25℃附近達(dá)到最大值，繼續(xù)升溫則Ka減小，并非隨溫度升高不斷增大，對(duì)此現(xiàn)象產(chǎn)生的原因作了解釋。

關(guān)鍵詞： 電導(dǎo)法； DIS技術(shù)； 醋酸； 電離常數(shù)測(cè)定； 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 1005-6629（2018）7-0079-04 中圖分類號(hào)： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

高中化學(xué)教科書(shū)[1， 2]中一致認(rèn)為： 醋酸的電離平衡正向是吸熱反應(yīng)，電離平衡常數(shù)Ka隨著溫度的升高而增大。常用的醋酸電離平衡常數(shù)Ka測(cè)定方法有電位法和電導(dǎo)法： 電位法使用pH計(jì)測(cè)定一定濃度醋酸溶液的pH，換算為氫離子濃度后進(jìn)一步求得醋酸的電離平衡常數(shù)Ka，但由于pH探頭對(duì)環(huán)境溫度較為敏感，溫度變化會(huì)對(duì)測(cè)量值產(chǎn)生明顯的干擾，導(dǎo)致測(cè)得的pH并不準(zhǔn)確，因此計(jì)算得到的醋酸的電離平衡常數(shù)Ka會(huì)有較大誤差；而電導(dǎo)法研究弱電解質(zhì)的電離平衡、測(cè)定弱電解質(zhì)的電離平衡常數(shù)具有操作簡(jiǎn)單、結(jié)果準(zhǔn)確、誤差小等特點(diǎn)，近年來(lái)在大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中被廣泛采用[3， 4]。隨著DIS技術(shù)在中學(xué)教育階段的普及，已有中學(xué)教師利用DIS電導(dǎo)率數(shù)據(jù)嘗試研究醋酸的電離平衡過(guò)程，一般僅限于驗(yàn)證醋酸是弱電解質(zhì)[5]。本文使用電導(dǎo)法測(cè)定不同濃度和溫度的醋酸溶液電導(dǎo)率，導(dǎo)入excel軟件后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，獲得醋酸在不同濃度和溫度下的Ka，并對(duì)醋酸電離平衡常數(shù)Ka與溫度的關(guān)系進(jìn)行了探討。

1 電導(dǎo)法測(cè)定醋酸電離平衡常數(shù)Ka的原理

在弱電解質(zhì)溶液中，只有已經(jīng)電離的部分才能承擔(dān)傳遞電量的任務(wù)。對(duì)于醋酸而言，在溶液中達(dá)到電離平衡時(shí)，其電離平衡常數(shù)Ka與濃度cHAc和電離度α有如下關(guān)系：

通過(guò)測(cè)定電導(dǎo)率κ（mS/cm）可以求得一定濃度c（mol/L）醋酸溶液的摩爾電導(dǎo)率λm（S·m2·mol-1）：

在無(wú)限稀釋的溶液中可以認(rèn)為醋酸已全部電離，此時(shí)溶液的極限摩爾電導(dǎo)率為λm， ∞，根據(jù)給定的不同溫度下的極限摩爾電導(dǎo)率λm， ∞，利用一元線性回歸方程確定其他溫度下的λm， ∞[6]。表1列出了一些溫度下醋酸的極限摩爾電導(dǎo)率數(shù)值。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 儀器與試劑

安裝朗威DIS 8.0軟件的電腦、朗威電導(dǎo)率傳感器（LW-C 802，量程： 0～20mS/cm）、優(yōu)萊博循環(huán)恒溫水浴箱SE-26、錐形瓶、移液管、容量瓶、鐵架臺(tái)、濾紙、0.1006mol/L HAc、二次蒸餾水（去離子水）

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 不同濃度HAc溶液的配制： 用移液管量取并配制濃度分別為原始0.1006mol/L HAc溶液濃度1/4、 1/8、 1/16的溶液三份，得到系列濃度為0.1006mol/L、 0.0251mol/L、 0.0126mol/L、 0.0063mol/L的HAc溶液，將系列濃度的醋酸溶液置于恒溫水浴箱內(nèi)。

（2） 調(diào)節(jié)恒溫水浴箱溫度為15℃。將朗威DIS數(shù)據(jù)采集器分別連接電腦和電導(dǎo)率傳感器，運(yùn)行配套軟件，按濃度由稀至濃的順序測(cè)定上述已恒溫的系列濃度HAc溶液的電導(dǎo)率κ并作記錄，裝置示意圖見(jiàn)圖1。

為確保電導(dǎo)率測(cè)量的精準(zhǔn)度，上述溶液的配制需使用二次蒸餾水（去離子水）、電導(dǎo)率探頭需用待測(cè)溶液洗滌2～3次，保證待測(cè)溶液的濃度不受到影響。

（3） 依次調(diào)節(jié)恒溫水浴箱溫度為： 20℃、 25℃、 30℃、 35℃、 40℃，按照上述方法測(cè)定不同溫度，不同濃度醋酸的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)并作記錄。

3 數(shù)據(jù)記錄與處理

3.1 不同濃度和溫度下醋酸電導(dǎo)率κ（mS/cm）

數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表2。

3.2 數(shù)據(jù)處理

3.2.1 根據(jù)式（c）求電離度α并作圖

依據(jù)表1中的醋酸極限摩爾電導(dǎo)率λm， ∞，利用一元線性回歸方程求得15℃、 20℃時(shí)的醋酸極限摩爾電導(dǎo)率λm， ∞分別為： 0.0332 S·m2·mol-1、 0.0361 S·m2·mol-1，將其與表2中的數(shù)據(jù)分別代入式（c）求得電離度α。用同一溫度（25℃）、不同濃度醋酸對(duì)電離度α作圖，得到圖2；用同一濃度醋酸（0.1006mol/L）、不同溫度對(duì)電離度α作圖，得到圖3。

3.2.2 根據(jù)式（a）、式（c）或式（d）求Ka

將電離度α代入式（a）可以求得電離平衡常數(shù)Ka，或直接將摩爾電導(dǎo)率λm、極限摩爾電導(dǎo)率λm， ∞代入式（d）求得Ka并取平均值，得到數(shù)據(jù)如表3所示。

3.2.3 用溫度T（K）對(duì)電離平衡常數(shù)Ka作圖

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，用溫度T（K）對(duì)105Ka作圖（0.1006mol/L HAc），得到圖4。

4 結(jié)果與討論

4.1 電離度α及其影響因素

利用電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，結(jié)合極限摩爾電導(dǎo)率可以求得不同濃度醋酸的電離度α，且誤差較小。如： 實(shí)驗(yàn)測(cè)量計(jì)算得到的25℃、 0.1006mol/L HAc的電離度α為1.29%，理論計(jì)算值為1.32%，兩者基本一致。從圖2可以看出，在同一溫度下，不同濃度醋酸的電離度α隨醋酸濃度的增加而減小，符合勒沙特列原理。從圖3可以看出，同一濃度的醋酸溶液，其電離度α還受到溫度變化的影響。因此，用電離度α表征弱電解質(zhì)的相對(duì)強(qiáng)弱需要使用相同溫度和相同濃度的溶液進(jìn)行比較。另外，從圖3還可以看到： 從15℃到40℃，醋酸電離度α先增大，后減小，與高中教材說(shuō)法并不完全一致。

4.2 電離平衡常數(shù)Ka及其影響因素

為排除多種外界影響因素（如溫度、濃度等）對(duì)醋酸電離平衡的綜合影響，考察醋酸電離平衡常數(shù)Ka，從表3的數(shù)據(jù)可以看出實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道值[7]1.76×10-5～1.81×10-5基本一致。但在溫度相同時(shí)，不同濃度醋酸的電離平衡常數(shù)Ka仍存在一定差異，產(chǎn)生偏差的原因可能是由于配制系列濃度醋酸過(guò)程中的累積誤差，或是電導(dǎo)率探頭清洗時(shí)去離子水未完全用濾紙吸干等操作誤差造成的。

由表3和圖4均可以看出，醋酸的電離平衡常數(shù)Ka隨溫度的變化而變化，但Ka的變化趨勢(shì)并不符合高中教科書(shū)中認(rèn)為的醋酸的電離平衡常數(shù)Ka隨溫度的升高而變大。從圖4可以看出，電離平衡常數(shù)Ka在低溫（<25℃）時(shí)，隨溫度的升高而增大；在25℃附近達(dá)到最大值；當(dāng)溶液溫度超過(guò)25℃后，醋酸的電離平衡常數(shù)Ka又逐漸減小。根據(jù)范霍夫方程： lnK1K2=ΔHR1T2-1T1可推得： 在低溫（<25℃）時(shí)，醋酸的電離焓ΔH>0；當(dāng)溫度超過(guò)25℃后，醋酸的電離焓ΔH<0。

4.3 分析與討論

從上述結(jié)果來(lái)看，對(duì)于電離度α或是電離平衡常數(shù)Ka，溫度對(duì)其造成的影響均與高中化學(xué)教材的表述不完全一致。造成上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因可能是： 醋酸分子間容易通過(guò)氫鍵作用（25～40kJ/mol）形成穩(wěn)定性較高的二聚分子，而醋酸本身的電離焓僅為3.73kJ/mol（25℃）。因此，醋酸在溶液中的電離過(guò)程除解離過(guò)程（吸熱）和水合過(guò)程（放熱）之外，還需要考慮醋酸分子之間的氫鍵作用。在低溫時(shí)，醋酸分子之間較多的以氫鍵締合形成二聚醋酸，此時(shí)醋酸的電離首先需要吸熱來(lái)破壞作用力較強(qiáng)的氫鍵，因此，整個(gè)電離過(guò)程的焓變?chǔ)>0；當(dāng)升高到一定溫度后，二聚醋酸分子含量大為減少，分子間的氫鍵作用不占主導(dǎo)地位，反而由于自由離子的水合過(guò)程所釋放的能量大于醋酸分子解離過(guò)程所吸收的能量，從而表現(xiàn)為電離過(guò)程的焓變?chǔ)<0，于是醋酸的電離度α和電離平衡常數(shù)Ka就出現(xiàn)了上述隨溫度變化的情況。

綜上，“弱電解質(zhì)在水中的電離是一個(gè)吸熱過(guò)程，因此，升高溫度會(huì)促使電離平衡向電離的方向移動(dòng)，電離平衡常數(shù)也隨之增大”，這種說(shuō)法是不嚴(yán)密的，只適合部分弱電解質(zhì)。弱電解質(zhì)在水溶液中的電離平衡移動(dòng)方向與溫度的升降之間并不完全一致，不能當(dāng)作普遍適用的規(guī)律性結(jié)論來(lái)應(yīng)用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以確定的是： 醋酸的電離平衡常數(shù)Ka的數(shù)值在不同溫度下相差不大，反映出弱電解質(zhì)電離過(guò)程的熱效應(yīng)較小。正如魯科版選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》[8]中指出的：“弱電解質(zhì)電離過(guò)程的熱效應(yīng)較小，在溫度變化不大的情況下，一般可不考慮溫度變化對(duì)電離平衡的影響?！?/p>

5 結(jié)語(yǔ)

利用DIS電導(dǎo)法技術(shù)探究醋酸的電離平衡過(guò)程，一方面可以作為高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對(duì)弱電解質(zhì)溶液的電離平衡規(guī)律的驗(yàn)證和檢驗(yàn)（如溫度、濃度對(duì)電離度α和電離平衡常數(shù)Ka的影響），另一方面還可以通過(guò)由定性解釋到定量實(shí)驗(yàn)的改變，藉由DIS技術(shù)的幫助，縮短探究實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，拓展探究問(wèn)題的思路，不僅開(kāi)闊了學(xué)生的學(xué)習(xí)視野、知識(shí)范圍，更使學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程中提高了科學(xué)素養(yǎng)，增強(qiáng)了探究能力、創(chuàng)新精神和實(shí)踐動(dòng)手能力，從而達(dá)到更好的教學(xué)效果。

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